自行车运动虚拟环境的研究

论文摘要

虚拟现实技术与人机交互技术,使得体育运动可以在计算机上开展。基于这类技术的自行车运动互动系统,可以将自行车运动从室外搬到室内,并将其过程用计算机来模拟,其应用范围包括:训练、医疗、娱乐等。近年来,国内外有很多大学开展了对自行车模拟器的研究。本文研究的用于自行车运动的虚拟环境和设备,着重对其中的力反馈,动力学模拟,与虚拟现实技术的结合等问题进行了探讨,分析了对系统性能有关的指标,提出了一些解决的方案。研究工作大体如下:从自行车运动环境虚拟化的应用需求出发,首先分析了场景建模中IBR技术与传统几何信息的建模方式的优缺点,然后给出了软件渲染的实现。建立了自行车的简化模型,自行车连体基,在三个正交方向上分析了自行车的运动。着重介绍在行进方向上的运动、力反馈、保持平衡的模拟计算,并在软件上得到了实施。同时人机交互的性能对系统的整体性能有较大影响,人的触觉灵敏度高于视觉灵敏度,用户的操作需要快速响应。本文中考虑到系统更新与伺服频率的要求,提出了对于力反馈系统的性能指标。采用伺服电机作为力执行器,用微处理器产生PWM信号驱动主电路,将力的感觉输出。微处理器的控制信号采用惯性模拟算法获得,使得力矩输出符合自行车惯性、风阻等力学特点。传感器则主要考虑稳定性和精度的要求,针对于自行车运动的应用,采用编码器作为角度与速度传感器,并给出了检测方法。最后在系统集成阶段,介绍了外界的输入输出设备与虚拟现实系统的结合。建立用户输入信息上行通信信道,和计算机输出下行通信信道,实现信息的双向流动。该系统经过验证,满足自行车虚拟骑行的要求,使用户产生如同在真实场景中运动的感受。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 自行车模拟器的国内外研究现状
• 1.3 虚拟现实技术介绍
• 1.4 力反馈技术的研究现状
• 1.5 系统的关键结构
• 1.6 文章研究内容与工作安排
• 2 自行车的动力反馈模型
• 2.1 引言
• 2.2 受力分析
• 2.3 本章小结
• 3 人机交互
• 3.1 引言
• 3.2 传感器的选择
• 3.3 编码器的检测
• 3.4 力反馈系统
• 3.5 执行器的选择与控制
• 3.6 本章小结
• 4 系统的集成
• 4.1 输入信号与虚拟现实系统的结合
• 4.2 力反馈系统主体硬件框架
• 4.3 虚拟现实系统与力反馈系统的结合
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献